Материаловедение

Тема 2: Основные сведения из теории сплавов. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов .

Вопросы темы:

1. Сплавы, системы сплавов.

2. Особенности кристаллизации сплавов.

3. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов.

1. Сплавы, системы сплавов.

Основную долю разнообразных металлических мате­риалов, используемых в технике, составляют сплавы. Чистые металлы в технике не применяют, потому что они характеризуются низким пределом прочности. Пу­тем сплавления или спекания нескольких металлов или металлов с неметаллическими элементами получают сплавы, которые обладают высокой прочностью, плас­тичностью, хорошо обрабатываются резанием, сварива­ются и т. д. При этом улучшаются эксплуатационные и технологические свойства металлического материала.

Сплавом называется однородная система, состоящая из двух и более химических элементов. Вещества, обра­зующие систему, называют компонентами.

Компонентами сплава могут быть металлы (железо, медь, алюминий, никель и т. д.) и неметаллические эле­менты (углерод). Компонентом могут быть и химиче­ские соединения. Количество компонентов, составляю­щих систему (сплав), может быть различным. Чистый металл — это однокомпонентная система; сплав двух металлов — двухкомпонентная, и т. д.

Выбор базового компонента сплава определяется тех­ническим заданием на его свойства. В зависимости от базового компонента все сплавы делятся на:

—черные, основу которых составляет железо (стали, чугуны) — и

—цветные, основу которых составляет любой ме­талл, кроме железа (алюминиевые, медные, нике­левые, титановые и др.).

Выбор других компонентов сплава производится на основе оценки взаимодействия с базовым компонентом и между собой. Их взаимодействие учитывается и в жид­ком, и в твердом состояниях, так как сплавление про­водится при температурах, превышающих температуру плавления базового компонента, а затем сплав, охлаж­даясь, кристаллизуется и остывает до температуры ок­ружающей среды.

Фазы металлических сплавов.

В сплавах компоненты могут вступать во взаимодей­ствие с образованием различных фаз. Различают следу­ющие фазы металлических сплавов:

—жидкие растворы;

—твердые растворы;

—химические соединения.

Раствором называется твердая или жидкая гомоген­ная (однородная) система, состоящая из двух или более компонентов, относительные количества которых могут изменяться в широких пределах.

Жидкие растворы. Большинство металлов растворя­ются друг в друге в жидком состоянии неограниченно (в любых соотношениях). При этом образуется однород­ный жидкий раствор, в котором атомы растворимого металла равномерно распределены среди атомов метал­ла-растворителя.

Твердые растворы. В твердом растворе металл-раство­ритель сохраняет свою кристаллическую решетку, а ра­створимый элемент (металл или неметалл) распределя­ется в ней в виде отдельных атомов. Твердые растворы бывают двух типов:

—твердые растворы замещения

—твердые растворы внедрения.

В твердых растворах замещениячасть ато­мов кристаллической решетки металла-растворителя замещена атомами другого компонента. Атомы раство­ренного компонента могут замещать атомы растворите­ля в любых узлах решетки.

В твердых растворах внедрения атомы рас­творенного компонента внедряются в межатомное про­странство кристаллической решетки компонента-рас­творителя. При этом атомы располагаются в таких пустотах, где для них имеется больше свободного про­странства.

в

Таким образом, твердый раствор, состоящий из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу.

При образовании твердого раствора кристаллическая решетка всегда искажается, так как атомы растворите­ля и растворенного компонента различны. Искажение кристаллической решетки обусловливает изменение свойств сплавов по сравнению со свойствами исходных компонентов. Образование твердых растворов в сплавах приводит к увеличению их электрического сопротивле­ния, снижает пластичность и вязкость.

Химические соединения. Химические соединения и родственные им фазы постоянного состава в металли­ческих сплавах многообразны. Они имеют характерные особенности, отличающие их от твердых растворов:

—их кристаллическая решетка отличается от крис­таллических решеток компонентов, образующих соединение;

—соотношение элементов в них кратно целым чис­лам;

—их свойства отличны от свойств образующих эле­ментов;

—они плавятся при постоянной температуре;

—их образование сопровождается значительным тепловым эффектом.

2. Особенности кристаллизации сплавов.

Процесс кристаллизации расплавов металлов.

Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией.

При переохлаждении сплава ниже температуры плав­ления Т_пл во многих участках жидкого сплава образуют­ся устойчивые, способные к росту кристаллические за­родыши.

Пока образовавшиеся кристаллы растут свободно, они имеют более или менее правильную геометриче­скую форму. Однако при столкновении растущих крис­таллов их правильная форма нарушается, так как в этих участках рост граней прекращается. Рост продолжается только в тех направлениях, где есть свободный доступ жидкости. В результате растущие кристаллы, имевшие сначала геометрически правильную форму, после за­твердевания получают неправильную внешнюю форму и поэтому называются зернами.

При небольшой степени переохлаждения ΔТ (малой скорости охлаждения) число зародышей мало. В этих условиях будет получено крупное зерно. С увеличени­ем степени переохлаждения скорость образования заро­дышей возрастает и размер зерна в затвердевшем метал­ле уменьшается.

Размер зерна металла сильно влияет на его механи­ческие свойства. Эти свойства, особенно вязкость и пла­стичность, выше, если металл имеет мелкое зерно.

На размер зерна оказывают влияние:

—температура нагрева и разливки жидкого металла,

—химический состав и особенно присутствие в ме­талле посторонних примесей.

В технических металлах всегда присутствует большое количество различных примесей (окислов, неметалли­ческих включений и т. д.), которые облегчают образова­ние зародышей, когда

—примесь имеет более высокую температуру плав­ления, чем основной металл;

—кристаллические решетки примеси и основного металла одинаковы и примерно одинаковы пара­метры решеток.

Чем больше примесей, тем больше центров кристал­лизации, тем мельче получается зерно. Для получения мелкого зерна создают искусственные центры кристал­лизации. Для этого в жидкий металл вводят специаль­ные примеси, называемые модификаторами. Эти приме­си, практически не изменяя химического состава сплава, вызывают при кристаллизации измельчение зер­на и в итоге улучшение механических свойств.

3. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов.

Для определения количества фаз в сплаве, их соста­ва пользуются диаграммами фазового равновесия — диаграммами состояния. Диаграмма состояния — графи­ческое изображение фазового состава сплава в состоя­нии равновесия или близком к нему в зависимости от содержания компонентов в сплаве и от температуры.

Температуры, при которых изменяются строение и свойства (происходят фазовые превращения) металлов и сплавов, называют критическими точками. Чистые металлы имеют одну критическую точку, которой явля­ется температура плавления (кристаллизации). Они пла­вятся и затвердевают при одной и той же постоянной температуре. В отличие от чистых металлов сплавы пла­вятся и кристаллизуются в интервале температур, т. е. они имеют две критические точки — температуру нача­ла кристаллизации (полного расплавления) и темпера­туру полного затвердевания (начала плавления) при ох­лаждении расплава (при нагревании сплава).

В расплавленном состоянии металлы обычно неогра­ниченно растворимы друг в друге. В твердом состоянии их взаимная растворимость может изменяться.

Рассмотрим диаграмму состояния компонентов с огра­ниченной растворимостью друг в друге в твердом состоя­нии (рис. 1).

Рис. 1. Диаграмма состояния Fe – Fe₃C

На этой диаграмме точка А (1539 °С) соответствует температуре плавления (затвердевания) железа, а точка D (≈1600 °С) – температуре плавления (затвердевания) цементита. Линия AВCD – это линия ликвидуса, показывающая температуры начала затвердевания (конца плавления) сталей и белых чугунов. При температурах выше линии AВCD – сплав жидкий. Линия AНJECF – это линия солидуса, показывающая температуры конца затвердевания (начала плавления).

Сплав, соответствующий проекции точки С, являет­ся самым легкоплавким и называется эвтектическим. Этот сплав кристаллизуется (плавится) при постоянной температуре, при этом из расплава кристаллизуются одновременно две твердые фазы (α и β-растворы). Та­кой процесс называется эвтектическим превращением.

Эвтектика — это механическая смесь нескольких твердых фаз, одновременно кристаллизующихся при по­стоянной температуре из расплава.

Сплавы, относящиеся к области левее точки С до точ­ки Е, называются доэвтектическими, правее точки С до точки D — заэвтектическими.

По линии ликвидуса АВС (при температурах, соответствующих линии АВС) из жидкого сплава кристаллизуется аустенит, а по ли­нии ликвидуса CD – цементит, называемый первичным цементитом. В точке С при температуре 1147 °С и содержании 4,3 % углерода из жидкого сплава одновременно кристаллизуется аустенит и це­ментит первичный, образуя эвтектику, называемую ледебуритом. При температурах, соответствующих линии солидуса АHJЕ, сплавы с содержанием углерода до 2,14 % окончательно затвердевают с об­разованием структуры аустенита. На линии солидуса ЕС (1147 °С) сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 % окончательно за­твердевают с образованием эвтектики ледебурита. Так как при более высоких температурах из жидкого сплава выделяется аусте­нит, следовательно, такие сплавы после затвердевания имеют струк­туру аустенит + ледебурит.

На линии солидуса CF (1147 °С) сплавы с содержанием углерода от 4,3 до 6,67 % окончательно затвердевают также с образованием эвтектики ледебурита. Так как при более высоких температурах из жидкого сплава выделяется цементит (первичный), следовательно, такие сплавы после затвердевания имеют структуру – первичный цементит + ледебурит.

В области АВСЕJHА, между линией ликвидуса АС и солидуса АHJЕС, имеется жидкий сплав + кристаллы аустенита; в области CDF,между линией ликвидуса CD и солидуса CF, – жидкий сплав + кристаллы цементита (первичного).

В результате первичной кристаллизации во всех сплавах с со­держанием углерода до 2,14 % образуется однофазная структура – аустенит.

Сплавы железа с углеродом, в которых в результате пер­вичной кристаллизации в равновесных условиях получается аустенитная структура, называют сталями. Следовательно, сталь – это железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 2,14 %.

Сплавы с содержанием углерода более 2,14 %, в которых при кристаллизации образуется эвтектика ледебурит, называют чугунами.Следовательно, чугун – это железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода более 2,14 %. В рассматриваемой системе практически весь углерод находится в связанном состоянии, в виде цементита. Излом таких чугунов светлый, блестящий (белый излом), поэтому такие чугуны называют белыми.

В железоуглеродистых сплавах превращения в твердом состоя­нии характеризуют линии GSE, PSK, PQ.

Линия GS показывает начало превращения аустенита в феррит (при охлаждении). Следовательно, в области GSP имеется структура аустенит + феррит. Критические точки, лежащие на линии GS обозначают А₃; при нагреве их обозначают Ас₃, а при охлаждении – Аr₃.Линия SE показывает, что с понижением температуры раство­римость углерода в аустените уменьшается. Так, при 1147 °С в аустените может раствориться углерода 2,14 %, а при 727 °С – 0,8 %. С понижением температуры в сталях с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 % из аустенита выделяется избыточный углерод в виде цементита, называемого вторичным. Следовательно, ниже линии SE (до температуры 727 °С) сталь имеет структуру: аустенит + цементит вторичный.

Критические точки, лежащие на линии SE, обозначаются А_ст. В чугунах с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 % при 1147 °С, кроме ледебурита, есть аустенит, из которого при понижении температуры тоже выделяется вторичный цементит. Следовательно, ниже линии ЕС (до температуры 727 °С) белый чу­гун имеет структуру: ледебурит + аустенит + цементит вто­ричный.

Линия PSK (727 °С) – это линия эвтектоидного превращения. На этой линии во всех железоуглеродистых сплавах аустенит рас­падается, образуя структуру, представляющую собой механическую смесь феррита и цементита и называемую перлитом.Критические точки, лежащие на линии PSK, обозначаются А₁, при нагреве их обозначают Аc₁ а при охлаждении – Аr₁.

Связь между структурой и свойствами сплавов.

Между составом и структурой сплава, определяемой типом диаграммы состояния, и свойствами сплава су­ществует определенная зависимость.

При образовании твердого раствора предел прочно­сти, текучести и твердость повышаются при сохранении достаточно высокой пластичности. При образовании твердого раствора внедрения прочность во много раз больше, чем при образовании твердого раствора заме­щения той же концентрации.

Сочетание повышенной прочности и хорошей плас­тичности позволяет использовать твердые растворы как основу конструкционных сплавов.

Благодаря высокой пластичности сплавы — твердые растворы легко деформируются, но плохо обрабатыва­ются резанием. Такие сплавы имеют низкие литейные свойства.

При образовании твердых растворов значительно уве­личивается электросопротивление. Поэтому сплавы — твердые растворы широко применяют для изготовления проволоки электронагревательных элементов и реоста­тов.

Для получения высоких литейных свойств концент­рация компонентов в сплавах должна превышать их предельную растворимость в твердом состоянии и приближаться к эвтектическому составу. Эвтектические сплавы обладают хорошей жидкотекучестью. Но при появлении в структуре сплава эвтектики сильно снижа­ется его пластичность. Поэтому в деформируемых спла­вах содержание компонентов не превышает величины предельной растворимости при эвтектической темпера­туре.

Химические соединения, образующиеся в сплавах, обладают свойствами, резко отличающимися от свойств исходных компонентов. Они имеют очень высокую твердость, но хрупки. Химические соединения имеют большое значение в качестве твердых структурных со­ставляющих в сплавах.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Назовите особенности кристаллизации сплавов;

2. Что называется сплавом?;

3. Какие аллотропические формы железа вы знаете?;

4. Перечислите структурные составляющие и свойства железоуглеродистых сплавов.